JP6965764B2 - 光検出器及びその製造方法、撮像装置 - Google Patents

光検出器及びその製造方法、撮像装置 Download PDF

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Description

本発明は、光検出器及びその製造方法、撮像装置に関する。
光検出器としては、例えば量子井戸や量子ドットを用いる光検出器、即ち、量子型光検出器がある。このような量子型光検出器としては、例えば量子型赤外線検出器がある。
このうち、量子ドットを用いる光検出器では、量子ドットに束縛されている電子が光を吸収して励起され、束縛から脱して光電流を形成するようになっている。
特開２０１５−８８６８８号公報 特開２００１−４４４８６号公報
ところで、量子ドットを用いる光検出器では、所望の検出波長が得られる量子準位を持つ所望のサイズの量子ドットを形成する必要がある。
しかしながら、所望の検出波長が得られる量子準位を持つ所望のサイズの量子ドットを形成しようとしても、量子ドットのサイズにばらつきが生じてしまい、所望のサイズ以外のサイズの量子ドットも形成されてしまうことになる。
そして、所望のサイズ以外のサイズの量子ドットでは、量子準位が異なるものとなってしまい、光電流に寄与しなくなってしまう一方で、暗電流（雑音電流）には寄与してしまうことになる。
例えば、所望のサイズよりも大きいサイズの量子ドットでは、吸収確率の低下、励起準位からの脱出確率の低下などによって光電流に寄与しなくなってしまう一方、光電流として流れる電子の捕獲、熱励起による電子の脱出などによって暗電流には寄与してしまうことになる。
また、例えば、所望のサイズよりも小さいサイズの量子ドットでは、吸収確率の低下、遷移確率の低下などによって光電流に寄与しなくなってしまう一方、光電流として流れる電子の捕獲、熱励起による電子の脱出などによって暗電流には寄与してしまうことになる。
この結果、光検出器のＳ／Ｎ（シグナル・ノイズ比）を低下させることになる。
本発明は、量子ドットを用いる光検出器において、Ｓ／Ｎを向上させることを目的とする。
１つの態様では、光検出器は、基準サイズを有する第１量子ドット及び基準サイズ以外のサイズを有する第２量子ドットを含む量子ドット群と、量子ドット群の一方の側に設けられ、障壁層、井戸層、障壁層からなる第１共鳴トンネル構造と、量子ドット群の他方の側に設けられ、障壁層、井戸層、障壁層からなる第２共鳴トンネル構造とを備え、第１共鳴トンネル構造における第１共鳴準位と第１量子ドットの基底準位が、トンネル現象が起こる関係になっており、かつ、第２共鳴トンネル構造における第２共鳴準位と第１量子ドットの励起準位が、トンネル現象が起こる関係になっている。
１つの態様では、撮像装置は、光検出器を備えるセンサ部と、センサ部に接続された制御演算部とを備え、光検出器が、基準サイズを有する第１量子ドット及び基準サイズ以外のサイズを有する第２量子ドットを含む量子ドット群と、量子ドット群の一方の側に設けられ、障壁層、井戸層、障壁層からなる第１共鳴トンネル構造と、量子ドット群の他方の側に設けられ、障壁層、井戸層、障壁層からなる第２共鳴トンネル構造とを備え、第１共鳴トンネル構造における第１共鳴準位と第１量子ドットの基底準位が、トンネル現象が起こる関係になっており、かつ、第２共鳴トンネル構造における第２共鳴準位と第１量子ドットの励起準位が、トンネル現象が起こる関係になっている。
１つの態様では、光検出器の製造方法は、基準サイズを有する第１量子ドット及び基準サイズ以外のサイズを有する第２量子ドットを含む量子ドット群を形成する工程と、第１量子ドットの基底準位との関係でトンネル現象が起こる第１共鳴準位を持つように、量子ドット群の一方の側に、障壁層、井戸層、障壁層からなる第１共鳴トンネル構造を形成する工程と、第１量子ドットの励起準位との関係でトンネル現象が起こる第２共鳴準位を持つように、量子ドット群の他方の側に、障壁層、井戸層、障壁層からなる第２共鳴トンネル構造を形成する工程とを含む。
１つの側面として、量子ドットを用いる光検出器において、Ｓ／Ｎを向上させることができるという効果を有する。
本実施形態にかかる光検出器の構成を示す模式的断面図である。 本実施形態にかかる光検出器における所望のサイズを有する第１量子ドットを含むエネルギバンド図である。 本実施形態にかかる光検出器における所望のサイズよりも大きいサイズを有する第２量子ドットを含むエネルギバンド図である。 本実施形態にかかる光検出器における所望のサイズよりも小さいサイズを有する第２量子ドットを含むエネルギバンド図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、一般的な量子ドット型赤外線検出器の構成及び動作を説明するための図であって、（Ａ）はその構成を示す模式的断面図であり、（Ｂ）はその動作を説明するためのエネルギバンド図である。 本発明の課題を説明するための模式的断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の課題を説明するためのエネルギバンド図である。 本実施形態にかかる光検出器の具体的な構成例を示す模式的断面図である。 本実施形態にかかる光検出器の具体的な構成例のエネルギバンド図である。 本実施形態にかかる撮像装置の構成例を示す模式図である。
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる光検出器及びその製造方法、撮像装置について、図１〜図１０を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる光検出器は、量子型光検出器であり、量子ドットを用いる光検出器（量子ドット型光検出器）である。
以下、量子ドット型光検出器の一種である量子ドット型赤外線検出器（量子型赤外線検出器）を例に挙げて説明する。なお、赤外線検出器を赤外線検知器ともいう。
本実施形態の量子ドット型赤外線検出器は、赤外線の入射量に応じて光電流を発生する量子ドット型赤外線検出器であって、図１に示すように、基板１上に、赤外線に対して活性な半導体材料からなる活性層２と、この活性層２を挟んで上下両側に設けられた上部電極層３及び下部電極層４とを含む赤外線検出素子５と、これに接続された外部回路６とを備える。
ここでは、基板１は半絶縁性半導体基板である。また、上部電極層３及び下部電極層４は導電性半導体層である。また、上部電極層３上には上部電極１７が設けられており、下部電極層４上には下部電極１８が設けられており、上部電極１７及び下部電極１８に外部回路６が接続されている。
なお、活性層２を活性領域ともいう。また、活性層２は、光を吸収する層であるため、光吸収層ともいう。また、活性層２は、光電変換が行なわれる層であるため、光電変換層ともいう。また、電極層３、４を、電極形成層、コンタクト層又はコンタクト領域ともいう。また、赤外線検出素子５を、赤外線検知素子、検出器素子、検知器素子、受光素子、光半導体素子、あるいは、感知部ともいう。また、赤外線検出素子５は、入射される光（ここでは赤外線）に応じて抵抗値が変化する抵抗体と見ることができるため、光伝導体型素子ともいう。
本実施形態では、赤外線検出素子５は、活性層２として、障壁層７、井戸層８、障壁層９、量子ドット群１０、障壁層１１、井戸層１２、障壁層１３を順に積層した構造（これらの層が互いに隣接した構造）を含む量子ドット活性層を備える。
ここで、量子ドット群１０は、複数の量子ドット１４からなる。ここでは、量子ドット群１０は、所望の検出波長が得られる量子準位を持つ所望のサイズを有する第１量子ドット１４Ｘ及び所望のサイズ以外のサイズを有する第２量子ドット１４Ｙを含む。なお、複数の量子ドット１４は層状に形成されるため、量子ドット層ともいう。また、所望のサイズを基準サイズともいう。
また、障壁層７、９、１１、１３の伝導帯底のエネルギは、量子ドット群１０を構成する量子ドット１４及び井戸層８、１２の伝導帯底のエネルギよりも大きくなっている。また、量子ドット群１０を構成する量子ドット１４は、バンドギャップがより大きい半導体材料からなる障壁層９、１１中に埋め込まれている。
また、量子ドット群１０の一方の側（ここでは下側）に設けられた障壁層７、井戸層８、障壁層９によって第１共鳴トンネル構造１５が構成され、量子ドット群１０の他方の側（ここでは上側）に設けられた障壁層１１、井戸層１２、障壁層１３によって第２共鳴トンネル構造１６が構成される。つまり、量子ドット群１０の両側に共鳴トンネル構造１５、１６を備える。
このように、赤外線検出素子５は、所望のサイズを有する第１量子ドット１４Ｘ及び所望のサイズ以外のサイズを有する第２量子ドット１４Ｙを含む量子ドット群１０と、量子ドット群１０の一方の側に設けられ、障壁層７、井戸層８、障壁層９からなる第１共鳴トンネル構造１５と、量子ドット群１０の他方の側に設けられ、障壁層１１、井戸層１２、障壁層１３からなる第２共鳴トンネル構造１６とを備える。
そして、図２に示すように、第１共鳴トンネル構造１５における第１共鳴準位と第１量子ドット１４Ｘの基底準位が、トンネル現象が起こる関係になっており、かつ、第２共鳴トンネル構造１６における第２共鳴準位と第１量子ドット１４Ｘの励起準位が、トンネル現象が起こる関係になっている。
なお、第２量子ドット１４Ｙのサイズが所望のサイズよりも大きい場合、図３に示すように、第１共鳴トンネル構造１５における第１共鳴準位と第２量子ドット１４Ｙの基底準位は、トンネル現象が起こらない関係になり、かつ、第２共鳴トンネル構造１６における第２共鳴準位と第２量子ドット１４Ｙの励起準位は、トンネル現象が起こらない関係になる。
また、第２量子ドット１４Ｙのサイズが所望のサイズよりも小さい場合、図４に示すように、第１共鳴トンネル構造１５における第１共鳴準位と第２量子ドット１４Ｙの基底準位は、トンネル現象が起こらない関係になり、かつ、第２共鳴トンネル構造１６における第２共鳴準位と第２量子ドット１４Ｙの基底準位は、トンネル現象が起こらない関係になる。
このように、所望のサイズ以外のサイズを有する第２量子ドット１４Ｙの量子準位は、第１共鳴トンネル構造１５における第１共鳴準位及び第２共鳴トンネル構造１６における第２共鳴準位に対して、トンネル現象が起こらない関係になっている。
本実施形態では、図２〜図４に示すように、第１共鳴トンネル構造１５における第１共鳴準位と第２共鳴トンネル構造１６における第２共鳴準位は互いに異なる。
また、第１共鳴トンネル構造１５における第１共鳴準位と第１量子ドット１４Ｘの基底準位が一致し、かつ、第２共鳴トンネル構造１６における第２共鳴準位と第１量子ドット１４Ｘの励起準位が一致するのが好ましい。
つまり、第１共鳴トンネル構造１５における第１共鳴準位と第１量子ドット１４Ｘの基底準位が一致し、かつ、第２共鳴トンネル構造１６における第２共鳴準位と第１量子ドット１４Ｘの励起準位が一致するように、第１共鳴トンネル構造１５及び第２共鳴トンネル構造１６を構成する各層７〜９、１１〜１３の材料及び厚さを設定するのが好ましい。
また、第１共鳴トンネル構造１５の量子ドット群１０に接する側の障壁層９、及び、第２共鳴トンネル構造１６の量子ドット群１０に接する側の障壁層１１（図１参照）は、図２〜図４に示すように、伝導帯底のエネルギが第１量子ドット１４Ｘ及び第２量子ドット１４Ｙの束縛準位から連続帯への熱励起による電子の脱出を抑制可能な高さになっているのが好ましい。
このように、量子ドット近傍の障壁層９、１１は、伝導帯底が十分に高いエネルギを持った材料で形成するのが好ましい。
これにより、量子ドット１４の束縛準位から連続帯への熱励起が十分に抑制されるようにすることができる。
ところで、一般的な量子ドット型赤外線検出器では、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように、量子ドットに束縛されている電子が光を吸収して励起され、束縛から脱して光電流を形成するようになっている。
なお、図５（Ａ）では、全ての量子ドットを同一の大きさで示しているが、実際には、図６に示すように、複数の量子ドットの大きさにはばらつきがある。
量子ドット型赤外線検出器が吸収・検出する赤外線の光子エネルギは、吸収によって電子が遷移する量子準位間のエネルギ差に相当する。
このため、所望の検出波長に対して適切な量子準位を形成する必要がある。
一般に、量子ドットの形成には結晶格子定数の違いで生じるひずみによる自己組織化が利用される（Stranski-Krastanov成長モード）。このような量子ドットを自己組織化量子ドットという。
このようにして形成される量子ドットの大きさ（サイズ）はばらつきを持つ（図６参照）。そして、量子ドットの大きさによって量子閉じ込めの強さが異なるため、例えば図７（Ａ）〜図７（Ｃ）に示すように、大きさの異なる量子ドットによって形成される量子準位のエネルギ（量子準位の位置）は異なるものとなる。
なお、図７（Ａ）は、所望の大きさの量子ドットが形成された場合の量子準位（基底準位及び励起準位）を示している。また、図７（Ｂ）は、所望の大きさ以外の大きさの量子ドット（具体的には所望の大きさよりも大きい量子ドット）が形成された場合の量子準位（基底準位及び励起準位）を示している。また、図７（Ｃ）は、所望の大きさ以外の大きさの量子ドット（具体的には所望の大きさよりも小さい量子ドット）が形成された場合の量子準位（基底準位）を示している。
このため、所望の検出波長が得られるように量子準位を調整した所望の大きさの量子ドットを形成しようとしても、量子ドットの大きさのばらつきのために、条件から外れた量子準位を形成する所望の大きさ以外の大きさの量子ドットができてしまう。
このような量子ドットでは、ずれが小さい場合は検出波長ずれを生じ、ずれが大きい場合には光電流にはほぼ寄与しなくなる。つまり、吸収確率の低下、励起先準位からの脱出確率の低下、あるいは、連続帯への遷移確率の低下を招くことになる。
また、量子ドットの束縛電子は、光吸収による励起のほか、熱的に励起されて束縛を脱することがある。このような電子は、光入射とは関係なく流れる電流（暗電流）を形成する。この暗電流は検出器の雑音源となる。
このため、所望の条件からずれた量子準位を形成する量子ドットは、光電流には寄与しない一方で、暗電流には寄与することになる。また、このような量子ドットは、光吸収での感度への寄与は小さく、光電流として流れる電子を捕獲してしまい、むしろ感度を低下させることになる。
例えば、所望の大きさよりも大きい量子ドット（特にずれが大きく、大きすぎる量子ドット；図７（Ｂ）参照）では、吸収確率の低下、励起準位からの脱出確率の低下などによって光電流に寄与しなくなってしまう一方、光電流として流れる電子の捕獲、熱励起による電子の脱出などによって暗電流には寄与してしまうことになる。
また、例えば、所望の大きさよりも小さい量子ドット（特にずれが大きく、小さすぎる量子ドット；図７（Ｃ）参照）では、吸収確率の低下、連続帯への遷移確率の低下などによって光電流に寄与しなくなってしまう一方、光電流として流れる電子の捕獲、熱励起による電子の脱出などによって暗電流には寄与してしまうことになる。
この結果、量子ドット型赤外線検出器のＳ／Ｎ（シグナル・ノイズ比）を低下させることになる。つまり、量子ドットを形成する際に必然的に生じる、条件からずれた量子ドットの存在が、量子ドット型赤外線検出器のＳ／Ｎを低下させることになる。
そこで、本実施形態では、上述のように量子ドット型赤外線検出器を構成している。
ここで、図２は、所望の検出波長が得られる量子準位を持つ所望のサイズを有する第１量子ドット１４Ｘを含むエネルギバンド構造を示している。
上述のように構成し、所望の検出波長が得られる量子準位を持つ所望のサイズを有する第１量子ドット１４Ｘの基底準位に共鳴準位（共鳴エネルギ）を一致させた第１共鳴トンネル構造１５が陰極側（電子の流れについて上流側）となるように電圧を印加すると、図２に示すように、電子は、第１共鳴トンネル構造１５を経由し、トンネル現象が起こって、第１量子ドット１４Ｘの基底準位に供給される。
そして、第１量子ドット１４Ｘで光励起された電子は、トンネル現象が起こって、他側の第２共鳴トンネル構造１６、即ち、第１量子ドット１４Ｘの励起準位に共鳴準位（共鳴エネルギ）を一致させた第２共鳴トンネル構造１６を経由して、束縛を脱し、光電流を形成する。
このように、第２共鳴トンネル構造１６を用いることで、光電流が減ってしまい、感度が低下してしまうのを抑制している。
一方、所望のサイズ以外のサイズを有する第２量子ドット（条件から外れた量子ドット）１４Ｙが形成された場合のエネルギバンド構造は、図３、図４に示すようになる。
なお、図３は、所望のサイズよりも大きいサイズを有する第２量子ドット（大きすぎる量子ドット）１４Ｙを含むエネルギバンド構造を示しており、図４は、所望のサイズよりも小さいサイズを有する第２量子ドット（小さすぎる量子ドット）１４Ｙを含むエネルギバンド構造を示している。
図３、図４に示すように、所望のサイズ以外のサイズを有する第２量子ドット１４Ｙでは、第１共鳴トンネル構造１５の共鳴準位と第２量子ドット１４Ｙの基底準位（束縛準位）のエネルギが合わないため、トンネル現象は起こらず、第２量子ドット１４Ｙには電子は供給されない。
つまり、共鳴しない第２量子ドット１４Ｙの基底準位には電子は供給されない。また、光電流として流れる電子も捕獲されない。このため、感度を低下させる要因とならない。
また、第２共鳴トンネル構造１６の共鳴準位と第２量子ドット１４Ｙの励起準位（束縛準位）のエネルギが合わないため、トンネル現象は起こらず、第２量子ドット１４Ｙに存在する電子は外部へ脱出しない。
つまり、共鳴しない第２量子ドット１４Ｙの励起準位に存在する電子は外部へ脱出しない。これにより、暗電流（雑音電流）を抑制し、検出器の雑音を低下させることができる。
このように、条件からはずれた量子ドット１４Ｙに束縛された電子は暗電流の形成に寄与せず、雑音源とならないため、条件からはずれた量子ドット１４Ｙによる量子ドット型赤外線検出器（光検知器）のＳ／Ｎの低下を抑制することができる。
さらに、第１量子ドット１４Ｘ及び第２量子ドット１４Ｙの近傍の障壁層９、１１の伝導帯底のエネルギが十分に高くなっているため、トンネル過程（トンネル現象）以外での電子の脱出、例えば熱的過程での電子の脱出を抑制することができる。このため、暗電流（雑音電流）を抑制し、検出器の雑音を低下させることができる。
具体的には、例えば図８に示すように、赤外線検出素子５に備えられる量子ドット活性層２は、上下両側にＡｌＧａＡｓ中間層１９を含み、ＩｎＡｓ量子ドット群１０及びその両側に設けられた第１共鳴トンネル構造１５及び第２共鳴トンネル構造１６を、ＡｌＧａＡｓ中間層１９を挟んで、繰り返し積層した構造からなるものとすれば良い。
つまり、赤外線検出素子５は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓ下部電極形成層４、ＡｌＧａＡｓ中間層１９、ＡｌＧａＡｓ障壁層７、ＩｎＧａＡｓ井戸層８、ＡｌＧａＡｓ障壁層９、ＩｎＡｓ量子ドット群１０、ＡｌＧａＡｓ障壁層１１、ＧａＡｓ井戸層１２、ＡｌＧａＡｓ障壁層１３、ＡｌＧａＡｓ中間層１９、・・・、ｎ型ＧａＡｓ上部電極形成層３を順に積層した構造を備えるものとすれば良い。
ここで、ＩｎＡｓ量子ドット群１０は、所望のサイズを有するＩｎＡｓ量子ドット（第１量子ドット）１４Ｘ及び所望のサイズ以外のサイズを有するＩｎＡｓ量子ドット（第２量子ドット）１４Ｙを含む。
また、量子ドット活性層２は、ＩｎＡｓ量子ドット群１０の一方の側（ここでは下側）に、ＡｌＧａＡｓ障壁層７、ＩｎＧａＡｓ井戸層８、ＡｌＧａＡｓ障壁層９からなる第１共鳴トンネル構造１５を備え、ＩｎＡｓ量子ドット群１０の他方の側（ここでは上側）に、ＡｌＧａＡｓ障壁層１１、ＧａＡｓ井戸層１２、ＡｌＧａＡｓ障壁層１３からなる第２共鳴トンネル構造１６を備える。
そして、図９に示すように、第１共鳴トンネル構造１５における第１共鳴準位と第１量子ドット１４Ｘの基底準位が、トンネル現象が起こる関係になっており、かつ、第２共鳴トンネル構造１６における第２共鳴準位と第１量子ドット１４Ｘの励起準位が、トンネル現象が起こる関係になっている。
ここでは、第１共鳴トンネル構造１５における第１共鳴準位と第２共鳴トンネル構造１６における第２共鳴準位は互いに異なる。また、第１共鳴トンネル構造１５における第１共鳴準位と第１量子ドット１４Ｘの基底準位が一致し、かつ、第２共鳴トンネル構造１６における第２共鳴準位と第１量子ドット１４Ｘの励起準位が一致する（例えば図２参照）。
なお、第２量子ドット１４Ｙのサイズが所望のサイズよりも大きい場合、第１共鳴トンネル構造１５における第１共鳴準位と第２量子ドット１４Ｙの基底準位は、トンネル現象が起こらない関係になり、かつ、第２共鳴トンネル構造１６における第２共鳴準位と第２量子ドット１４Ｙの励起準位は、トンネル現象が起こらない関係になる（例えば図３参照）。
また、第２量子ドット１４Ｙのサイズが所望のサイズよりも小さい場合、第１共鳴トンネル構造１５における第１共鳴準位と第２量子ドット１４Ｙの基底準位は、トンネル現象が起こらない関係になり、かつ、第２共鳴トンネル構造１６における第２共鳴準位と第２量子ドット１４Ｙの基底準位は、トンネル現象が起こらない関係になる（例えば図４参照）。
このように、所望のサイズ以外のサイズを有する第２量子ドット１４Ｙの量子準位は、第１共鳴トンネル構造１５における第１共鳴準位及び第２共鳴トンネル構造１６における第２共鳴準位に対して、トンネル現象が起こらない関係になっている。
また、第１共鳴トンネル構造１５のＩｎＡｓ量子ドット群１０に接する側のＡｌＧａＡｓ障壁層９、及び、第２共鳴トンネル構造１６のＩｎＡｓ量子ドット群１０に接する側のＡｌＧａＡｓ障壁層１１は、伝導帯底のエネルギが所望のサイズを有するＩｎＡｓ量子ドット（第１量子ドット）１４Ｘ及び所望のサイズ以外のサイズを有するＩｎＡｓ量子ドット（第２量子ドット）１４Ｙの束縛準位から連続帯への熱励起による電子の脱出を抑制可能な高さになっている（例えば図９、図２〜図４参照）。
なお、複数の赤外線検出素子５を２次元アレイ状に配置して、赤外線検出素子アレイを構成しても良い。この場合、各赤外線検出素子５は、素子分離されて、各画素を構成することになる。
ここでは、ＡｌＧａＡｓ中間層１９は、例えばＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ中間層である。
また、ＡｌＧａＡｓ障壁層７、９、１１、１３は、例えばＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ障壁層である。
また、ＩｎＧａＡｓ井戸層８、１２は、例えばＩｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓ井戸層である。
また、ｎ型ＧａＡｓ下部電極形成層４及びｎ型ＧａＡｓ上部電極形成層３には、それぞれ、例えばＡｕＧｅ／Ａｕからなる上部電極（金属電極；ここでは陽極）１７及び下部電極（金属電極；ここでは陰極）１８が取り付けられている。
なお、上部電極１７及び下部電極１８を電流引出用電極ともいう。また、上部電極１７及び下部電極１８は、赤外線検出素子５を駆動するとともに、活性層２に赤外線が入射し、これに応じて生じた光電流を読み出すために用いられるものであるため、駆動電極又は駆動・読出用電極ともいう。
さらに、上部電極１７及び下部電極１８には、赤外線検出素子５を駆動する機能と、赤外線検出素子５に流れる光電流を読み出す機能とを有する外部回路６が接続されている。
ここで、外部回路６は、上部電極１７と下部電極１８との間にバイアス電圧を印加し、赤外線検出素子５を駆動する電源２０と、赤外線検出素子５に流れる光電流を検出する電流検出器２１とによって構成されている。ここでは、電源２０は定電圧源である。
なお、電流検出器２１は、光電流を検出するものであれば良く、例えば電圧によって光電流を検出するものであっても良い。また、電源２０を駆動電源又は電源回路ともいう。また、電流検出器２１を電流検出回路ともいう。
そして、電源２０から供給されるバイアス電圧によって、下部電極１８が陰極、上部電極１７が陽極となるように上部電極１７と下部電極１８との間に電位差を与えておき、これらの電極間に流れる光電流を電流検出器２１によって検出することができるようになっている。
これにより、赤外線入射時の電流変化、即ち、活性層２に赤外線が入射し、光電流が生じることによる電流変化を検出することで、赤外線を検出することができるようになっている。
なお、複数の赤外線検出素子５を２次元アレイ状に配置して赤外線検出素子アレイを構成する場合、赤外線検出素子アレイにバンプを介して接続される信号処理回路アレイが、外部回路６を含むことになる。
このように構成される量子ドット型赤外線検出器では、赤外線検出素子５の活性層２に赤外線が入射すると、量子ドット１４に束縛されている電子が赤外線を吸収して励起され、束縛から脱し、上部電極１７と下部電極１８との間の電位差によって、一方の電極に集められ、光電流が生じる。この赤外線検出素子５を流れる電流の変化を読み出すことによって、光信号を検出することができる。
つまり、赤外線検出素子５に赤外線が入射すると、活性層２において光電変換され、赤外線検出素子５に光電流が流れるため、この赤外線検出素子５を流れる電流量を電流検出器２１によって検出することによって、光を検出することができる。
次に、本実施形態にかかる光検出器の製造方法について説明する。
本実施形態の光検出器の製造方法は、所望のサイズを有する第１量子ドット１４Ｘ及び所望のサイズ以外のサイズを有する第２量子ドット１４Ｙを含む量子ドット群１０を形成する工程と、第１量子ドット１４Ｘの基底準位との関係でトンネル現象が起こる第１共鳴準位を持つように、量子ドット群１０の一方の側に、障壁層７、井戸層８、障壁層９からなる第１共鳴トンネル構造１５を形成する工程と、第１量子ドット１４Ｘの励起準位との関係でトンネル現象が起こる第２共鳴準位を持つように、量子ドット群１０の他方の側に、障壁層１１、井戸層１２、障壁層１３からなる第２共鳴トンネル構造１６を形成する工程とを含む。
以下、量子ドット型光検出器の一種である量子ドット型赤外線検出器の製造方法を例に挙げて説明する。
つまり、まず、例えば分子線エピタキシ（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法によって、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、下部電極形成層４として、ｎ型ＧａＡｓ下部電極形成層を形成する（例えば図８参照）。
ここで、ｎ型ＧａＡｓ下部電極形成層４の厚さは例えば１０００ｎｍとし、ｎ型ドーパントとして例えばＳｉを用い、その濃度は例えば約２×１０１８／ｃｍ３とする。
次に、ｎ型ＧａＡｓ下部電極形成層４上に、中間層１９として、ＡｌＧａＡｓ中間層を形成する（例えば図８参照）。
ここで、ＡｌＧａＡｓ中間層１９は、厚さを例えば約５０ｎｍとし、Ａｌ組成を例えば約０．１とする。つまり、ＡｌＧａＡｓ中間層１９は厚さ約５０ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ中間層とする。
次に、ＡｌＧａＡｓ中間層１９上に、障壁層７として、ＡｌＧａＡｓ障壁層を形成する（例えば図８参照）。
ここで、ＡｌＧａＡｓ障壁層７は、厚さを例えば約５ｎｍとし、Ａｌ組成を例えば約０．３５とする。つまり、ＡｌＧａＡｓ障壁層７は厚さ約５ｎｍのＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ障壁層とする。
次に、ＡｌＧａＡｓ障壁層７上に、井戸層８として、ＩｎＧａＡｓ井戸層を形成する（例えば図８参照）。
ここで、ＩｎＧａＡｓ井戸層８は、厚さを例えば約３ｎｍとし、Ｉｎ組成を例えば約０．３とする。つまり、ＩｎＧａＡｓ井戸層８は厚さ約３ｎｍのＩｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓ井戸層とする。
次に、ＩｎＧａＡｓ井戸層８上に、障壁層９として、ＡｌＧａＡｓ障壁層を形成する（例えば図８参照）。
ここで、ＡｌＧａＡｓ障壁層９は、厚さを例えば約５ｎｍとし、Ａｌ組成を例えば約０．３５とする。つまり、ＡｌＧａＡｓ障壁層９は厚さ約５ｎｍのＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ障壁層とする。
このようにして、後述のようにして形成されるＩｎＡｓ量子ドット群１０の下側に、ＡｌＧａＡｓ障壁層７、ＩｎＧａＡｓ井戸層８、ＡｌＧａＡｓ障壁層９からなる第１共鳴トンネル構造１５を形成する（例えば図８参照）。
次に、ＡｌＧａＡｓ障壁層９上に、量子ドット群１０として、複数のＩｎＡｓ量子ドット１４からなるＩｎＡｓ量子ドット群を形成する（例えば図８参照）。
ここでは、例えば基板温度約４７０℃でＩｎＡｓを約２分子層成長させることで、結晶ひずみによる自己組織化によって、複数のＩｎＡｓ量子ドット１４からなるＩｎＡｓ量子ドット群１０が形成される。
このようにして形成されたＩｎＡｓ量子ドット群１０には、所望のサイズを有するＩｎＡｓ量子ドット（第１量子ドット）１４Ｘ及び所望のサイズ以外のサイズを有するＩｎＡｓ量子ドット（第２量子ドット）１４Ｙが含まれる（例えば図８参照）。
次に、ＩｎＡｓ量子ドット群１０を覆うように、障壁層１１として、ＡｌＧａＡｓ障壁層を形成する（例えば図８参照）。
ここで、ＡｌＧａＡｓ障壁層１１は、厚さを例えば約５ｎｍとし、Ａｌ組成を例えば約０．３５とする。つまり、ＡｌＧａＡｓ障壁層１１は厚さ約５ｎｍのＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ障壁層とする。
次に、ＡｌＧａＡｓ障壁層１１上に、井戸層１２として、ＧａＡｓ井戸層を形成する（例えば図８参照）。
ここで、ＧａＡｓ井戸層１２は、厚さを例えば約４ｎｍとする。
次に、ＧａＡｓ井戸層１２上に、障壁層１３として、ＡｌＧａＡｓ障壁層を形成する（例えば図８参照）。
ここで、ＡｌＧａＡｓ障壁層１３は、厚さを例えば約５ｎｍとし、Ａｌ組成を例えば約０．３５とする。つまり、ＡｌＧａＡｓ障壁層１３は厚さ約５ｎｍのＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ障壁層とする。
このようにして、ＩｎＡｓ量子ドット群１０の上側に、ＡｌＧａＡｓ障壁層１１、ＩｎＧａＡｓ井戸層１２、ＡｌＧａＡｓ障壁層１３からなる第２共鳴トンネル構造１６を形成する（例えば図８参照）。
次に、ＡｌＧａＡｓ障壁層１３上に、中間層１９として、ＡｌＧａＡｓ中間層を形成する（例えば図８参照）。
ここで、ＡｌＧａＡｓ中間層１９は、厚さを例えば約５０ｎｍとし、Ａｌ組成を例えば約０．１とする。つまり、ＡｌＧａＡｓ中間層１９は厚さ約５０ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ中間層とする。
以後、同様の工程を複数回（ここでは９回）繰り返す。つまり、ＡｌＧａＡｓ障壁層７、ＩｎＧａＡｓ井戸層８、ＡｌＧａＡｓ障壁層９からなる第１共鳴トンネル構造１５、ＩｎＡｓ量子ドット群１０、ＡｌＧａＡｓ障壁層１１、ＩｎＧａＡｓ井戸層１２、ＡｌＧａＡｓ障壁層１３からなる第２共鳴トンネル構造１６、ＡｌＧａＡｓ中間層１９を順に形成する工程を複数回（ここでは９回）繰り返す（例えば図８参照）。
このようにして、ｎ型ＧａＡｓ下部電極形成層４上に、ＡｌＧａＡｓ中間層１９を挟んで、第１共鳴トンネル構造１５、ＩｎＡｓ量子ドット群１０及び第２共鳴トンネル構造１６を１組として、これを１０組積層して量子ドット活性層２を形成する（例えば図８参照）。
次に、最上層のＡｌＧａＡｓ中間層１９上に、上部電極形成層３として、ｎ型ＧａＡｓ上部電極形成層を形成する（例えば図８参照）。
ここで、ｎ型ＧａＡｓ上部電極形成層３の厚さは例えば５００ｎｍとし、ｎ型ドーパントとして例えばＳｉを用い、その濃度は例えば約２×１０１８／ｃｍ３とする。
その後、例えばリソグラフィ、ドライエッチング、金属蒸着法などによって、ｎ型ＧａＡｓ下部電極形成層４までの掘削、ｎ型ＧａＡｓ上部電極形成層３及びｎ型ＧａＡｓ下部電極形成層４への上部電極１７及び下部電極１８（例えばＡｕＧｅ／Ａｕ電極）の形成を行なう（例えば図８参照）。
なお、複数の赤外線検出素子５を２次元アレイ状に配置した赤外線検出素子アレイを形成する場合には、複数の赤外線検出素子（画素）５が形成されるように素子分離溝を形成することになる。
そして、上述のようにして作製した赤外線検出素子５に設けられた上部電極１７及び下部電極１８に、外部回路６、即ち、駆動電源２０及び電流検出器２１を接続する。
これにより、量子ドット型赤外線検出器（量子ドット型光検出器）が完成する。
ここでは、下部電極１８が陰極、上部電極１７が陽極となるようにこれらの電極間に電位差を加えておき、その間に流れる電流を電流検出器２１によって検出することで、赤外線入射時の電流変化を観測することができ、赤外線検出器として機能させることができる。
なお、量子ドット群１０を構成する量子ドット１４、障壁層７、９、１１、１３、井戸層８、１２に用いられる材料・組成は、上述の実施形態における材料・組成に限られるものではない。
例えば、量子ドット群１０を構成する量子ドット１４（第１量子ドット１４Ｘ及び第２量子ドット１４Ｙ）は、ＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓからなり、第１共鳴トンネル構造１５及び第２共鳴トンネル構造１６は、障壁層７、９、１１、１３がＡｌＧａＡｓからなり、井戸層８、１２がＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ又は障壁層７、９、１１、１３を構成するＡｌＧａＡｓよりもＡｌが少ないＡｌＧａＡｓからなるものとすれば良い。
また、上述の実施形態では、各障壁層７、９、１１、１３は、同一の材料・組成、同一の厚さにしているが、これに限られるものではなく、障壁層７、９、１１、１３の伝導帯の底のエネルギが量子ドット１４や井戸層８、１２の伝導帯の底のエネルギよりも大きくなっていれば、材料・組成が異なっていても良いし、厚さが異なっていても良い。
ところで、上述のように構成される光検出器（具体的には赤外線検出器）を備えるものとして、撮像装置を構成することができる。
例えば図１０に示すように、撮像装置３０を、上述のように構成される光検出器（具体的には赤外線検出器）を含むセンサ部３１と、これに接続された制御演算部３２と、表示部３３とを備えるものとし、センサ部３１に入射した赤外線を基にした画像が表示部３３に表示されるようにすれば良い。
この場合、撮像装置３０は、上述のように構成される光検出器（具体的には赤外線検出器）を備えるセンサ部３１と、センサ部３１に接続された制御演算部３２とを備えるものとして構成されることになる。
したがって、本実施形態にかかる光検出器及びその製造方法、撮像装置は、量子ドットを用いる光検出器において、Ｓ／Ｎを向上させることができるという効果を有する。
なお、本発明は、上述した実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
以下、上述の実施形態に関し、更に、付記を開示する。
（付記１）
基準サイズを有する第１量子ドット及び前記基準サイズ以外のサイズを有する第２量子ドットを含む量子ドット群と、
前記量子ドット群の一方の側に設けられ、障壁層、井戸層、障壁層からなる第１共鳴トンネル構造と、
前記量子ドット群の他方の側に設けられ、障壁層、井戸層、障壁層からなる第２共鳴トンネル構造とを備え、
前記第１共鳴トンネル構造における第１共鳴準位と前記第１量子ドットの基底準位が、トンネル現象が起こる関係になっており、かつ、前記第２共鳴トンネル構造における第２共鳴準位と前記第１量子ドットの励起準位が、トンネル現象が起こる関係になっていることを特徴とする光検出器。
（付記２）
前記第１共鳴トンネル構造における第１共鳴準位と前記第２共鳴トンネル構造における第２共鳴準位は互いに異なることを特徴とする、付記１に記載の光検出器。
（付記３）
前記第１共鳴トンネル構造における第１共鳴準位と前記第１量子ドットの基底準位が一致し、かつ、前記第２共鳴トンネル構造における第２共鳴準位と前記第１量子ドットの励起準位が一致することを特徴とする、付記１又は２に記載の光検出器。
（付記４）
前記第１量子ドット及び前記第２量子ドットは、ＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓからなり、
前記第１共鳴トンネル構造及び前記第２共鳴トンネル構造は、前記障壁層がＡｌＧａＡｓからなり、前記井戸層がＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ又は前記障壁層を構成するＡｌＧａＡｓよりもＡｌが少ないＡｌＧａＡｓからなることを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の光検出器。
（付記５）
前記第１共鳴トンネル構造の前記量子ドット群に接する側の前記障壁層、及び、前記第２共鳴トンネル構造の前記量子ドット群に接する側の前記障壁層は、伝導帯底のエネルギが前記第１量子ドット及び前記第２量子ドットの束縛準位から連続帯への熱励起による電子の脱出を抑制可能な高さになっていることを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の光検出器。
（付記６）
前記第２量子ドットの量子準位は、前記第１共鳴トンネル構造における第１共鳴準位及び前記第２共鳴トンネル構造における第２共鳴準位に対して、トンネル現象が起こらない関係になっていることを特徴とする、付記１〜５のいずれか１項に記載の光検出器。
（付記７）
光検出器を備えるセンサ部と、
前記センサ部に接続された制御演算部とを備え、
前記光検出器が、
基準サイズを有する第１量子ドット及び前記基準サイズ以外のサイズを有する第２量子ドットを含む量子ドット群と、
前記量子ドット群の一方の側に設けられ、障壁層、井戸層、障壁層からなる第１共鳴トンネル構造と、
前記量子ドット群の他方の側に設けられ、障壁層、井戸層、障壁層からなる第２共鳴トンネル構造とを備え、
前記第１共鳴トンネル構造における第１共鳴準位と前記第１量子ドットの基底準位が、トンネル現象が起こる関係になっており、かつ、前記第２共鳴トンネル構造における第２共鳴準位と前記第１量子ドットの励起準位が、トンネル現象が起こる関係になっていることを特徴とする撮像装置。
（付記８）
基準サイズを有する第１量子ドット及び前記基準サイズ以外のサイズを有する第２量子ドットを含む量子ドット群を形成する工程と、
前記第１量子ドットの基底準位との関係でトンネル現象が起こる第１共鳴準位を持つように、前記量子ドット群の一方の側に、障壁層、井戸層、障壁層からなる第１共鳴トンネル構造を形成する工程と、
前記第１量子ドットの励起準位との関係でトンネル現象が起こる第２共鳴準位を持つように、前記量子ドット群の他方の側に、障壁層、井戸層、障壁層からなる第２共鳴トンネル構造を形成する工程とを含むことを特徴とする光検出器の製造方法。
１ 基板（半絶縁性ＧａＡｓ基板）
２ 活性層
３ 上部電極層（ｎ型ＧａＡｓ上部電極形成層）
４ 下部電極層（ｎ型ＧａＡｓ下部電極形成層）
５ 赤外線検出素子
６ 外部回路
７ 障壁層（ＡｌＧａＡｓ障壁層）
８ 井戸層（ＩｎＧａＡｓ井戸層）
９ 障壁層（ＡｌＧａＡｓ障壁層）
１０ 量子ドット群（ＩｎＡｓ量子ドット群）
１１ 障壁層（ＡｌＧａＡｓ障壁層）
１２ 井戸層（ＧａＡｓ井戸層）
１３ 障壁層（ＡｌＧａＡｓ障壁層）
１４ 量子ドット（ＩｎＡｓ量子ドット）
１４Ｘ 第１量子ドット
１４Ｙ 第２量子ドット
１５ 第１共鳴トンネル構造
１６ 第２共鳴トンネル構造
１７ 上部電極
１８ 下部電極
１９ 中間層（ＡｌＧａＡｓ中間層）
２０ 電源
２１ 電流検出器
３０ 撮像装置
３１ センサ部
３２ 制御演算部
３３ 表示部

Claims (7)

  1. 基準サイズを有する第１量子ドット及び前記基準サイズ以外のサイズを有する第２量子ドットを含む量子ドット群と、
    前記量子ドット群の一方の側に設けられ、障壁層、井戸層、障壁層からなる第１共鳴トンネル構造と、
    前記量子ドット群の他方の側に設けられ、障壁層、井戸層、障壁層からなる第２共鳴トンネル構造とを備え、
    前記第１共鳴トンネル構造における第１共鳴準位と前記第１量子ドットの基底準位が、トンネル現象が起こる関係になっており、かつ、前記第２共鳴トンネル構造における第２共鳴準位と前記第１量子ドットの励起準位が、トンネル現象が起こる関係になっていることを特徴とする光検出器。
  2. 前記第１共鳴トンネル構造における第１共鳴準位と前記第２共鳴トンネル構造における第２共鳴準位は互いに異なることを特徴とする、請求項１に記載の光検出器。
  3. 前記第１共鳴トンネル構造における第１共鳴準位と前記第１量子ドットの基底準位が一致し、かつ、前記第２共鳴トンネル構造における第２共鳴準位と前記第１量子ドットの励起準位が一致することを特徴とする、請求項１又は２に記載の光検出器。
  4. 前記第１量子ドット及び前記第２量子ドットは、ＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓからなり、
    前記第１共鳴トンネル構造及び前記第２共鳴トンネル構造は、前記障壁層がＡｌＧａＡｓからなり、前記井戸層がＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ又は前記障壁層を構成するＡｌＧａＡｓよりもＡｌが少ないＡｌＧａＡｓからなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検出器。
  5. 前記第１共鳴トンネル構造の前記量子ドット群に接する側の前記障壁層、及び、前記第２共鳴トンネル構造の前記量子ドット群に接する側の前記障壁層は、伝導帯底のエネルギが前記第１量子ドット及び前記第２量子ドットの束縛準位から連続帯への熱励起による電子の脱出を抑制可能な高さになっていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光検出器。
  6. 光検出器を備えるセンサ部と、
    前記センサ部に接続された制御演算部とを備え、
    前記光検出器が、
    基準サイズを有する第１量子ドット及び前記基準サイズ以外のサイズを有する第２量子ドットを含む量子ドット群と、
    前記量子ドット群の一方の側に設けられ、障壁層、井戸層、障壁層からなる第１共鳴トンネル構造と、
    前記量子ドット群の他方の側に設けられ、障壁層、井戸層、障壁層からなる第２共鳴トンネル構造とを備え、
    前記第１共鳴トンネル構造における第１共鳴準位と前記第１量子ドットの基底準位が、トンネル現象が起こる関係になっており、かつ、前記第２共鳴トンネル構造における第２共鳴準位と前記第１量子ドットの励起準位が、トンネル現象が起こる関係になっていることを特徴とする撮像装置。
  7. 基準サイズを有する第１量子ドット及び前記基準サイズ以外のサイズを有する第２量子ドットを含む量子ドット群を形成する工程と、
    前記第１量子ドットの基底準位との関係でトンネル現象が起こる第１共鳴準位を持つように、前記量子ドット群の一方の側に、障壁層、井戸層、障壁層からなる第１共鳴トンネル構造を形成する工程と、
    前記第１量子ドットの励起準位との関係でトンネル現象が起こる第２共鳴準位を持つように、前記量子ドット群の他方の側に、障壁層、井戸層、障壁層からなる第２共鳴トンネル構造を形成する工程とを含むことを特徴とする光検出器の製造方法。
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